Új eredmények a reaktorhőre, és a hasadási potenciálokra Fukushima tükrében Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen
ATOMKI, Debrecen Az Atomki látképe Debrecen központjában 4 főosztály: Atommagfizika Atomfizika Alkalmazott fizika Gyorsító centrum Mérete: 100 kutató, 100 mérnök+ egyéb www.atomki.mta.hu
Az MTA Atomki K=20-as ciklotronja, mint az alapés alkalmazott kutatások egyik legfontosabb eszköze A gyorsított nyalábok paraméterei Gyorsított részecske proton deuteron He-3 alfa rész. Energia [MeV] Intenzitás [μa] 2.5 18 1-10 4-26 2-20 40 40 10 20 A kivont nyaláb energia feloldása: < 3*10-3 Az analizált nyaláb energia feloldása: < 10-3 Nyalábcsatornák száma: 8 vízszintes + 1 függőleges Legfontosabb kutatási területek Atommagfizika Orvosi alkalmazások Ipari alkalmazások
Mag-és asztrofizikai Laboratórium http://www.atomki.hu/muszerek/muszerek.html#magal NEKIFUT, Stratégiai Kutatási Infrastruktúra Hasított pólusú mágneses spektrométer protonok, illetve nehézionok mérésére Nagy szórókamra Si detektor teleszkópokkal DIAMANT, könnyű töltött-részecske detektor rendszer Obelisk repülési idő spektrométer hasadási termékek mérésére CLOVER típusú gamma spektrométerek BGO anti-compton árnyékolóval 2 darab Canberra GR10024 N-típusú 100% relatív hatásfokú koaxiális HPGe detektror GL2015R típusú LEPS-alacsony energiás gamma spektrométer Nagyenergiás (5-20 MeV) elektron-pozitron pár spektrométer Szupravezető mágneses elektron spektrométer ELENA neutron repülési-idő spektrométer LeyboldUNIVEX 350 vákuumpárologtató
Hasított pólusú mágneses spektrométer A spektrométer K értéke A fókuszsík szöge A fókuszsík hossza Si detector hossza felbontása Az eltérítési sugár Maximális térerősség Maximális térszög Emax/Emin Vízszintes nagyítás Függőleges nagyítás Δx/ΔE/E Energiafeloldás ΔE/E 80 (26) 45o 120 cm 72 cm 1 mm 40-90 cm 1.6 (0.8) T 5.4 msr 4.8 0.34 1.7-3.3 10 mm/% 1x10-3
A szuper- és hyperdeformált állapotok kutatása A magszerkezet-kutatás legnagyobb erőpróbája Európa legnagyobb γspektrométere az EUROBALL spektrométer CLOVER és CLUSTER detektorokkal A Gamma-sphere spektrométer (USA)
Erősen deformált állapotok kialakulása a maghasadás előtt
A hasadási gát topológiája Hasadási gát: potenciális energia a kvadrupó ldeformáció függvényében Lokális, 2. minimum jelenik meg az erős, mikroszkópikus héjeffektusok következményeként (N=140 mágikus szám) 2. völgy alapállapota: hasadási izomer állapot (ps-ms felezési idővel) #3
Hasadási rezonanciák 2. minimum erősen deformált állapotai rezonanciák a hasadási valószínűségben: rezonancia energia: az SD és HD állapotok gerjesztési energiái Eres E*3rd J,K σ(θ)frag hasadványok szögeloszlása: spin információ rotációs sávok: h2 E (J ) = J ( J + 1) 2Θ MAGALAK nívósűrűség völgyek mélysége
A három-völgyes hasadási gát 3. minimum nagy oktupól (β3) deformációknál (hiperdeformáció 3:1) 232U HD 68.9 a 234U 1.59E5 a 2.45E5 a [Csi09] 231Pa 232Pa 3.24E4 a target [Csi12] HD 7.54E4 a [Bl87] 235U 7.03E8 a 231Th HD 25.5 h [Bl87] 236U HD 2.3E7 a [Csa05] [Kr98,Kr99] HD 1.31 d 230Th HD 233U 233Pa 234Pa 235Pa 27.0 d 1.17 min 24.2 min 232Th 1.4E10 a 233Th HD 22.3min 234Th 24.1d [Bl87] A. Krasznahorkay et al., Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 2073. A. Krasznahorkay et al., Phys. Lett. B461 (1999) 15. M. Hunyadi et al., Phys. Lett. B505 (2001) 27. M. Csatlós et al., Phys. Lett. B615 (2005) 175. A. Krasznahorkay in Handbook of Nuclear Chemistry. 2nd edition. Springer Verlag 1 (2011) 281-318. L. Csige et al., Phys. Rev. C 85 (2012) 064306. #4
Accelerator Driven Systems (ADS) (Carlo Rubia)
Chernobyl Fukushima TMI A világ nukleáris energia felhasználása (forrás: IAEA, 2015) 439 atomerőmű 30 országban A teljes elektromos energia 13.5%-a Jelenleg 14 országban összesen 69 új atomerőművet építenek Forrás: WNA (2009)
Atommag hasadás és β-bomlás 235 U energiafelszabadulás hasadásonként: 202 MeV 6.5% mint β/γ 4.5% mint ν e 235 137 n+ U 2 n + γ + Te+ 97 Zr Minden hasadást átlagosan 6 β- bomlás követ e + ν e + γ Összesen kb. 1000 atommag játszik szerepet a folyamatban! Néha késleltetett neutron is keletkezik!
Neutron befogás és radioaktív hulladékok (n,γ) β-decay
IV. Generációs reaktorok: biztonságosabb, nagyobb hatásfokú, kevesebb hulladékot termel Very-High-Temperature Reactor (VHTR) Gas-Cooled Fast Reactor (GFR) Supercritical-Water-Cooled Reactor (SCWR) Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR) Molten Salt Reactor (MSR) Lead-Cooled Fast Reactor (LFR)
Gyorsítóval működő (ADS), vagy hibrid rendszerek Szubkritikus zóna (U/Pu vagy Th/U fűtőelemekkel) Proton gyorsító (a neutronok keltésére) Radioaktív hulladékból készített transzmutációs köpeny EURATOM által támogatott kutatások: Ipari Demonstrátor: MYRRHA/XT-ADS 2025 horizon MOX fűtőelemek 600 MeV p (linac/ciklotron) LBE spallációs target (window/less) LBE hűtés Mindegyik rendszerhez szükségesek a jelenleginél pontosabb magadatok!!!
FUKUSHIMA: A reaktorhő szerepe
Reaktorok bomlási hője Fukushima: Daiichi reaktor demonstrációja a bomlási hő fontosságáról... - használt üzemanyag tárolása, szállítása gazdaságossági szempontok Hasadás során felszabaduló energia: 8% hasadványok γ és β bomlása bomlási hő Bomlási hő definíciója: f (t )= i E i λi N i (t ) Összegző számítások E λ i Bomlási energia (γ és β) i Bomlási állandó N Izotópok száma i Kísérleteink célja Ni(t) meghatározása csatolt, elsőrendű differenciál-egyenletekkel (1. lépés): dn i = (λ i +σ i φ) N i + f ( j i ) λ j N j + µ(k i) σ k φn k + y i F dt Összegző számításhoz szükséges: Izotóp hozamok, élettartamok, átlagos γ és β energia, neutron befogási hatáskeresztmetszet, stb... korábban: statisztikus módszer (empirikus: P(t)=axt-b)
A Pandemónium hatás Nagy feloldású detektor (pl. Ge) a bomlás által populált nívók feltérképezéséhez a γ intenzitás-eloszlás alapján a β erősség meghatározás Probléma: nagyobb energián -nagy állapotsűrűség, nagy fragmentáció- nagy eséllyel elvész a γ, illetve nagy energiás γ szintén β+ β+ ZAN γ2 ZAN γ1 γ1 Z-1AN+1 Z-1AN+1 Valós bomlás Észlelt bomlás Pandemónium hatás
Teljes Abszorpciós Spektroszkópia Megoldás a Pandemónium-hatás problémára: Teljes Abszorpciós Spektroszkópia: nagy feloldás helyett nagy hatásfok a teljes γ kaszkád észlelésére γ1 De!! A TAS sem 100% hatásfokú, ismerni kell a detektor válasz mátrixát, R(B)-t: mért spektrum γ2 NaI TAS működése elágazási arányok feeding eloszlás R(B): Monte-Carlo (GEANT4) Statisztikus módszerek az elágazási arányokra
Kísérlet: Jyvaskyla (Finnország) Motiváció: ellentmondások a 300-3000 s hűlési időtartományban!! IAEA által meghatározott prioritások: 102,104,105,106,107Tc; 105Mo Jyvaskyla Egyetem: -39.3 fok februárban... 30-50 MeV proton, 15 mg/cm2 U céltárgy
Eredmények
Értelmeztük a 239Pu bomlási hőjében észlelt kísérleti elméleti ellentmondásokat 239Pu γ-ray heat per fission 105Mo 107Tc f β,γ (t ) = 106Tc 105Tc 104Tc β,γ λ E i i N i (t ) i FP A. Algora, A. Krasznahorkay et al., Physical Review Letters 105 (2010) 202501.
Új, pontosabb adatok szükségesek mind a hasadási potenciálokra mind a β-bomlásra. A tét a reaktorok biztonsága!!! β-decay β-intensity (*) (*) legújabb adatok: http://www.nndc.bnl.gov/ensdf/ 105Tc
Photofission experiments Part. 1. EUROPEAN UNION Attila Krasznahorkay Inst. for Nucl. Res., Hungarian Acad. of Sci. (ATOMKI) Debrecen, Hungary
Physics goals 1. High-resolution photo-fission studies in actinides as a study of the fission function of the photon energy resonances, investigation of 2nd, 3rd potential minima, mapping the fission barrier 2. Angular distribution measurements for the fission fragments. Study of the Jπ and K-values of the resonances 3. Mass and charge distribution measurements for the fission fragments study of the clusterization before fission 4. Study of the ternary fission probability as a function of the photon energy direct proof for highly deformed states 5. Study of the true ternary fission. clusterization
Köszönöm a figyelmet!
SÚLYOS ÜZEMZAVAR (PAKS 2003) 1. A feladat A II. Blokk 270 db kazettájának tisztítása gyorsan, a karbantartás ideje alatt - régi kazetták: több éves hűlési idő, hideg (60 db) - frissen kiégett kazetták: forró kötegek, Pth ~ 250 kw (!!) 210 db Az I. Blokk kazettáinak tisztítása: forró üzemanyag A III. Blokk kazettáinak tisztítása: forró üzemanyag 2. A terv FRAMATOM ANP ~ Siemens: 2001. évi tisztítás, további referenciák (?) Oxálsavas mosás + ultrahangos kezelés, vizes öblítés szerződés a II. blokkra tartály: helye: végrehajtó: tisztításnál: 250 m 3 /h, hűtésnél 20 m 3 /h szivattyúk 30 kazetta II. blokk pihentető medence melletti 1.sz. szerelőakna, 10 m víz alatt FANP, egyes feladatoknál: PA Rt Engedélyeztetés: PA Rt Biztonsági Igazgatóság (BIG) Országos Atomenergia Hivatal (OAH) Gyorsított eljárás: korábbi sikerek besorolás miatt NEM nukleáris (reaktor) jellegű berendezés 2015.03.06. Dr. Krasznahorkay Attila
KÖZVETLEN KÁROK Mind a 30 kazetta tönkrement Az urántabletták kiszóródtak (kis részben elporladtak) Kazetta-anyag: Zr-törmelék Radioaktív szennyezettség: hasadási termékek: Cs, I-131, urán transzuránok: Pu Helyek: tisztító tartály szerelőakna pihentető medence II.Blokk tartálya részben szennyeződött primerköre? 3. és 5. hurok használva ERKÖLCSI KÁROK Volt egy jó hírű atomerőművünk... KÖZVETETT KÁROK termeléskiesés, 50 MFt/nap május 5. után helyreállítás HÁP többi blokk ciklusa megváltozott I. és III. reaktorok kazettái szennyezettek új fűtőelemek gyors beszerzése Nem fogunk minden üzemzavart ilyen olcsón megúszni! 2015.03.06. Dr. Krasznahorkay Attila MTA Szatmáry Z., 2003.06.18. Σ ~ -50 milliárd HUF??
2015.03.06. Dr. Krasznahorkay Attila